輸電線路桿塔不平衡張力及傾斜監(jiān)測(cè)裝置的研究

羅晶，陸佳政，李波，趙純，張紅先

(1．湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007;2．國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410007)

正常工況下，鐵塔兩側(cè)的導(dǎo)線張力基本保持平衡。但在鐵塔兩側(cè)導(dǎo)線不均勻時(shí) (如覆冰的情況下)，受力平衡狀態(tài)被破壞，鐵塔兩側(cè)產(chǎn)生張力差，鐵塔會(huì)向張力大的一側(cè)發(fā)生傾斜、彎曲，在超過一定允許值后，鐵塔桿件發(fā)生拉、壓破壞，導(dǎo)致鐵塔折斷、倒塌〔1〕。從調(diào)研和統(tǒng)計(jì)資料看，2008年湖南輸電線路90%左右的倒塔都是由于不均勻覆冰以及不均勻脫冰產(chǎn)生的縱向不平衡張力造成的。目前，國內(nèi)外為對(duì)抗冰災(zāi)已經(jīng)成功研制了一系列的融冰裝置。但同時(shí)又出現(xiàn)了新的問題，融冰過程中，由于線路較長(zhǎng)，導(dǎo)線各處的融冰不平衡，導(dǎo)致導(dǎo)線脫冰不均勻并引起舞動(dòng)，桿塔所承受的拉力等明顯變化，不平衡現(xiàn)象加劇。因此加強(qiáng)輸電線路桿塔不平衡張力監(jiān)測(cè)裝置和桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置的研究，對(duì)防災(zāi)和實(shí)時(shí)監(jiān)控可起到很大的預(yù)警作用。

1 監(jiān)測(cè)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分現(xiàn)場(chǎng)采集部分和監(jiān)控服務(wù)器2個(gè)部分。

現(xiàn)場(chǎng)采集部分:由安裝在輸電線路桿塔上的傳感器采集裝置，包括不平衡張力傳感器、角度傳感器和采集箱組成。不平衡張力傳感器安裝在絕緣子和桿塔的U型掛環(huán)之間，取代了原來的球頭掛環(huán)，不平衡張力傳感器由一個(gè)六方向的角度傳感器結(jié)合拉力傳感器組成，用來測(cè)量鐵塔受力的大小和受力的方向;桿塔傾斜傳感器主要安裝在桿塔的塔腰和橫檔上，桿塔的塔腰安裝了2個(gè)雙軸角度傾角傳感器，用來測(cè)量桿塔塔腰的扭動(dòng)和傾斜度，安裝在橫檔上的2個(gè)雙軸角度傾角傳感器用來測(cè)量桿塔受到不平衡張力的作用時(shí)，塔腰以上部分的傾斜度和扭曲度。采集裝置主要由低功耗的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，通過太陽能給系統(tǒng)供電，以無線公網(wǎng)GPRS方式將采集到的角度值發(fā)送到服務(wù)器端。

監(jiān)控部分:監(jiān)控服務(wù)器由1臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成。PC機(jī)上安裝了1套桿塔傾斜及不平衡張力的監(jiān)測(cè)軟件，軟件的主要作用是將現(xiàn)場(chǎng)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和判斷，給出預(yù)警值，并向輸電線路運(yùn)行值班人員報(bào)警。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 不平衡張力監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

在架空線路的耐張段中有大高差、大小檔距的不利組合，當(dāng)氣象條件惡化程度發(fā)生變化時(shí)，因檔距中架空線的應(yīng)力變化不相等而產(chǎn)生不平衡張力〔2〕，這是一種普遍存在的現(xiàn)象，不管是平原山地，只要有高差、檔距的不同便會(huì)產(chǎn)生不平衡張力，當(dāng)遇到耐張段中有高差、檔距的不利組合時(shí)便有較大的不平衡張力產(chǎn)生，氣象條件發(fā)生變化如大風(fēng)引起的不平衡張力，輸電線路出現(xiàn)不均勻覆冰都會(huì)對(duì)桿塔造成不平衡張力。不平衡張力的測(cè)量采用基于應(yīng)變片的應(yīng)力傳感器，并且在應(yīng)力傳感器上安裝了一個(gè)角度傳感器，測(cè)量力的大小和方向。應(yīng)變片種類繁多，其基本結(jié)構(gòu)大體相似，以金屬絲繞式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)為例說明，如圖2所示。將金屬電阻絲粘貼在基片上，上面覆蓋一層薄膜，使它們變成一個(gè)整體，這就是電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)。

傳感器安裝在絕緣子與桿塔的連接處，取代1個(gè)球頭掛環(huán)，傳感器實(shí)物圖如圖3所示。

1.3 桿塔傾斜監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

圖2 電阻絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 不平衡張力傳感器實(shí)物圖

通過對(duì)以往的桿塔傾斜資料的分析，確認(rèn)桿塔傾斜監(jiān)測(cè)的主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是桿塔傾斜角度〔3〕。因此，在桿塔受力的2個(gè)典型位段安裝4個(gè)雙軸傾角傳感器，從桿塔不同位置的傾斜變化來具體描述桿偏移角度和偏移值。傾角傳感器采用得到廣泛應(yīng)用的加速度傳感器SCA100T－D02為主要構(gòu)成元件，配合各種保護(hù)電路、供電單元，以達(dá)到角度測(cè)量的目的。

傾角傳感器采用附著式安裝，分別在桿塔的塔腰與橫檔安裝2個(gè)雙軸傾角式傳感器，傳感器實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 桿塔傾斜傳感器

2 通訊系統(tǒng)及專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集基站數(shù)據(jù)功能:將數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)采集到控制中心服務(wù)器，完成對(duì)基層硬件的管理控制，完成數(shù)據(jù)處理分析功能和基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)發(fā)布功能。

數(shù)據(jù)處理分析功能:對(duì)采集到的各種參量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。其中包括桿塔實(shí)時(shí)受力監(jiān)測(cè)分析和桿塔傾斜角度監(jiān)測(cè)及分析。

桿塔實(shí)時(shí)受力監(jiān)測(cè)、分析:通過安裝在桿塔絕緣子串上方的拉力、雙軸傾角傳感器采集測(cè)量桿塔實(shí)時(shí)受力以及絕緣子偏移角度，建立桿塔受力的三維狀態(tài)數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，顯示桿塔受力的實(shí)際變化，必要時(shí)給予報(bào)警。

桿塔傾斜角度測(cè)量及分析:通過監(jiān)測(cè)絕緣子傾角和風(fēng)向、風(fēng)速等，應(yīng)用后臺(tái)軟件和計(jì)算模型分析不同的自然條件下桿塔傾斜和線路電氣距離、弧垂的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

基于B/S信息瀏覽模式:整個(gè)系統(tǒng)均采用了B/S模式構(gòu)建，方便整個(gè)系統(tǒng)的信息傳達(dá)，應(yīng)用該模式，在系統(tǒng)的廣域網(wǎng)中，不同權(quán)限用戶均可以通過電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)查詢給基站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、圖像，并且可以通過后臺(tái)軟件處理用戶自行選擇的數(shù)據(jù)和進(jìn)行分析。同時(shí)，通過系統(tǒng)客戶端軟件連接控制各基站系統(tǒng)，為系統(tǒng)信息的公布提供有效平臺(tái)。運(yùn)用B/S模式構(gòu)建的瀏覽系統(tǒng)簡(jiǎn)潔易用，用戶可以方便地通過IE瀏覽器獲取現(xiàn)場(chǎng)狀況和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，并且可以設(shè)置各類使用者的瀏覽權(quán)限，突出用戶自己關(guān)注的重點(diǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)使用

該套裝置在湖南柘泉線233號(hào)桿塔進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并且在2009年2月初該線路的覆冰過程中真實(shí)地反映了該線路的不平衡張力的變化情況。數(shù)據(jù)見表1。

數(shù)據(jù)顯示，不平衡張力一般情況在1.0～1.2 t之間變化，最小值為0.9 t，最大值為1.8 t(嚴(yán)重覆冰)。而絕緣子的順線方向偏移角 (X)一般在5.5°～ 6.5°之間變化，最大 7.65°，最小 3.45°;絕緣子垂直線方向偏移角 (Y)一般在2°～3.5°之間變化，最大值為9.15°，最小值為1.95°。通過安裝的監(jiān)測(cè)設(shè)備完整地反映了覆冰過程，并且得到了原始數(shù)據(jù)，為今后的工作奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過桿塔不平衡張力及桿塔傾斜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)、研制和試運(yùn)行，日常運(yùn)行中監(jiān)測(cè)采集了大量桿塔受力和絕緣子傾斜角度數(shù)據(jù)，觀測(cè)到線路實(shí)際覆冰厚度和不平衡張力的綜合變化，對(duì)桿塔受力分析具有十分重要的意義，進(jìn)一步促進(jìn)了輸電線路防災(zāi)技術(shù)的發(fā)展。

表1 桿塔的不平衡張力變化數(shù)據(jù)表

〔1〕黃新波．輸電線路在線監(jiān)測(cè)與故障診斷〔M〕．北京:中國電力出版社，2008．

〔2〕嚴(yán)躍成，龔守遠(yuǎn)，邱秀云．輸電線路覆冰對(duì)電力網(wǎng)的影響及危害分析〔J〕．水力發(fā)電，2008，34(11):95-97．

〔3〕李興，趙華忠，李偉性．500 kV輸電線路鐵塔嚴(yán)重傾斜的快速修復(fù)〔J〕．南方電網(wǎng)技術(shù)2008，2(5):84-85．